CN114088238A - 基于宽辐射谱的皮秒时间分辨冲击温度测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于宽辐射谱的皮秒时间分辨冲击温度测量系统及方法，所述系统包括相互垂直的可见光探测通道和近红外探测通道，所述可见光探测通道、近红外探测通道均由多个分离的探测通道组成，其中，各可见光探测通道分别由依次排布的二向色镜、透镜和可见光探测器构成，透镜和可见光探测器之间设有多模光纤；各近红外探测通道分别由依次排布的反射镜、透镜和近红外探测器构成，透镜和可见光探测器之间设有多模光纤；各可见光探测通道、各近红外探测通道的辐射谱宽度均超过百纳米。所述测量方法包括步骤：(1)标定测量系统；(2)求解实际待测对象的真实冲击温度。本发明将探测系统的温度测量下限降低至3000K以下。

Description

基于宽辐射谱的皮秒时间分辨冲击温度测量系统及方法
技术领域
本发明涉及温度测量技术领域，具体涉及一种基于宽辐射谱的皮秒时间分辨冲击温度测量系统及方法。
背景技术
冲击温度的准确测量是实验研究中一项极具挑战性的工作，是冲击波物理和状态方程实验研究中至今尚未很好解决的问题之一。
按照测量方式划分，冲击波温度测量方法可分为接触式测量和非接触式测量，接触式温度测量方式响应较慢，在冲击温度测量应用过程中局限性较大。在非接触测量方法中，虽然最近二十年兴起的中子与X射线的吸收和发射技术能够对冲击压缩样品的内部温度进行测量，但相关实验的进行依赖于规模非常庞大的反应堆、加速器或超高功率激光器，实验成本很高，且相关实验结果的准确性和可靠性尚未完全得到验证。相较而言，尽管基于辐射光谱的非接触冲击温度测量方法仅能获取冲击样品表面的温度，但由于该方法响应快、灵敏度高、测量范围宽、精度较好，基于辐射光谱的冲击温度测量仍然是冲击波物理实验研究中使用最广泛、最可靠的瞬态温度测量方法。采用辐射法测温时，需要采用黑体炉等标准光源对探测系统进行标定。由于标定光源温度范围的限制，目前探测系统的最高温度只能标定到～3400K，对于标定范围以外的温度点，一般采用线性外推法计算每个通道的光谱辐亮度，基于这一思路，要求每个通道的探测辐射谱的波长范围不能超过20～30nm，即窄辐射谱冲击温度测量方法。
随着冲击加载方式的多样化，冲击温度测量对时间响应特性的要求越来越高，以激光加载为例，信号的持续时间为数十纳秒，这就要求冲击温度测量的时间分辨率能够达到亚纳秒甚至皮秒量级。采用辐射法测温时，系统核心组成部件-光电探测器的光谱灵敏度与时间响应特性往往互相矛盾，高带宽的光电探测器灵敏度较低。在窄辐射谱温度测量系统中，所采用的光电探测器上升时间一般为数个纳秒，对于商用的皮秒量级上升时间光电探测器，其灵敏度比前者低1-2个量级。在皮秒时间分辨冲击温度测量系统中，若采用传统窄辐射谱的设计思路，则在采用标准光源进行标定时，探测系统往往无法响应，这导致皮秒时间分辨的冲击波温度测量难以实现。因此，相较于传统的窄辐射谱冲击温度测量系统，需要建立新的温度测量系统、标定方法和温度求解模型。
发明内容
有鉴于此，本发明创造提出了一种基于宽辐射谱的皮秒时间分辨冲击温度测量系统及方法。具体方案如下：
一种基于宽辐射谱的皮秒时间分辨冲击温度测量系统，所述系统包括相互垂直的可见光探测通道和近红外探测通道，所述可见光探测通道、近红外探测通道均由多个分离的探测通道组成，其中，各可见光探测通道分别由依次排布的二向色镜、透镜和可见光探测器构成，透镜和可见光探测器之间设有多模光纤；各近红外探测通道分别由依次排布的反射镜、透镜和近红外探测器构成，透镜和可见光探测器之间设有多模光纤；各可见光探测通道、各近红外探测通道的辐射谱宽度均超过百纳米，由此形成宽辐射谱测量系统结构；外部辐射信号经过入口处的二向色镜后形成相互垂直的可见光支路R和近红外支路T；
对于每个探测通道，外部辐射信号经二向色镜或反射镜反射后，由透镜聚焦至多模光纤各端面，再由多模光纤传输至可见光探测器或近红外探测器。
优选地，所述可见光支路R具有3个可见光探测通道，各可见光探测通道对应波长范围分别为400nm～650nm、650nm～800nm、800nm～900nm。
优选地，所述近红外支路T具有4个近红外探测通道，各近红外探测通道对应波长范围分别为900nm～1150nm、1150nm～1400nm、1400nm～1530nm、1530nm～1700nm。
优选地，所述近红外探测器或可见光探测器的上升时间均小于100皮秒，且最低带宽为直流。
本发明还提供一种基于前述基于宽辐射谱的皮秒时间分辨冲击温度测量系统的冲击温度测量方法，所述测量方法包括：
步骤(1)标定皮秒时间分辨冲击温度测量系统；
步骤(2)求解实际待测对象的真实冲击温度。
优选地，步骤(1)具体包括：
步骤(1.1)获取温度测量系统测量黑体炉在温度为T0时输出的电压值S；
步骤(1.2)建立各探测通道的信号强度-温度(S-T)的关系曲线。
优选地，步骤(1.2)具体包括：
步骤(1.2.1)测量每个探测通道的光谱传输函数τi(λ)，光谱传输函数τi(λ)具体为：
τi(λ)＝αi(λ)β(λ)；
其中β(λ)表示可见光探测器或近红外探测器的光谱响应效率，其在探测器出厂时由厂家进行标定提供，αi(λ)代表第i个可见光探测通道Ri或第i个近红外探测通道Ti的传输效率，
步骤(1.2.2)测量每个探测通道的标定系数Ci，cal，其中标定系数Ci，cal与波长、温度无关。标定系数Ci，cal具体为：
Figure BDA0003362334680000031
其中，Si(T0)表示黑体炉温度为T0时第i个可见光探测通道Ri或第i个近红外探测通道Ti输出的信号强度，L(λ，T0)表示波长为λ、温度为T0的辐亮度；
步骤(1.2.3)对于任意温度T而言，各探测通道输出信号强度为
Figure BDA0003362334680000032
将步骤(1.2.1)中的光谱传输函数和步骤(1.2.2)中的标定系数代入上式中求得每个通道的信号强度-温度(S-T)的关系曲线为
Figure BDA0003362334680000033
即完成测温系统的标定。
优选地，步骤(2)求解待测冲击温度具体包括：
步骤(2.1)基于最小二乘法构建残差函数χ2：
Figure BDA0003362334680000034
其中，M、N分别表示可见光和近红外的通道数，Si，PL(T)表示步骤(1)中通过标定获取的信号强度-温度的关系，Si，exp表示测量实际待测对象的冲击温度过程中不同探测通道输出的信号强度，σi表示测量实际待测对象的冲击温度过程中的标准差。
步骤(2.2)求解残差函数χ2，即在冲击温度预估范围内计算不同冲击温度下的残差χ2，当残差最小时，所对应的温度即为实际待测对象的真实冲击温度。
本发明通过拓宽皮秒探测系统每个通道的探测辐射谱宽度，以提升温度测量系统的灵敏度，将探测系统的温度测量下限降低至3000K以下，以实现温度的标定以及冲击温度的皮秒时间分辨测量。
附图说明
图1为宽辐射谱皮秒时间分辨温度测量系统；
图2基于最小二乘法求解实际待测对象的真实冲击温度；
图中，1.二向色镜2.反射镜3.透镜4.多模光纤5.可见光探测器6.辐射信号7.近红外探测器。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细限定。
本发明的皮秒时间分辨温度测量系统如图1所示，所述系统包括相互垂直的可见光探测通道和近红外探测通道，所述可见光探测通道、近红外探测通道均由多个分离的探测通道组成，其中，各可见光探测通道分别由依次排布的二向色镜1、透镜3和可见光探测器7构成，透镜3和可见光探测器7之间设有多模光纤4；各近红外探测通道分别由依次排布的反射镜2、透镜3和近红外探测器5构成，透镜3和近红外探测器5之间设有多模光纤4；各可见光探测通道、各近红外探测通道的辐射谱宽度均超过百纳米，由此形成宽辐射谱测量系统结构；外部辐射信号6经过入口处的二向色镜后形成相互垂直的可见光支路R和近红外支路T；对于每个探测通道，外部辐射信号经二向色镜或反射镜反射后，由透镜聚焦至多模光纤4各端面，再由多模光纤4传输至可见光探测器7或近红外探测器5。
进一步，所述可见光支路R具有3个可见光探测通道，各可见光探测通道对应波长范围分别为400nm～650nm、650nm～800nm、800nm～900nm。
进一步，所述近红外支路T具有4个近红外探测通道，各近红外探测通道对应波长范围分别为900nm～1150nm、1150nm～1400nm、1400nm～1530nm、1530nm～1700nm。
进一步，所述近红外探测器5或可见光探测器7的上升时间均小于100皮秒，且最低带宽为直流。
基于前述温度测量系统，本发明还提供一种基于宽辐射谱的皮秒级冲击温度测量方法，所述测量方法包括：
步骤(1)标定皮秒时间分辨冲击温度测量系统。在辐射温度测量过程中，首先需要借助黑体炉标定信号强度与辐亮度或者温度之间的关系
步骤(2)求解实际待测对象的真实冲击温度。
进一步，步骤(1)具体包括：
步骤(1.1)获取温度测量系统测量黑体炉在温度为T0时输出的电压值S；
步骤(1.2)建立各通道的信号强度-温度(S-T)的关系曲线。
进一步，步骤(1.2)具体包括：
步骤(1.2.1)测量每个探测通道的光谱传输函数τi(λ)，光谱传输函数τi(λ)具体为：
τi(λ)＝αi(λ)β(λ)；
其中β(λ)表示可见光探测器或近红外探测器的光谱响应效率，其在探测器出厂时由厂家进行标定提供，αi(λ)代表第i个可见光探测通道Ri或第i个近红外探测通道Ti的传输效率。
步骤(1.2.2)测量每个探测通道的标定系数Ci，cal，其中标定系数Ci，cal与波长、温度无关。标定系数Ci，cal具体为：
Figure BDA0003362334680000051
其中，Si(T0)表示黑体炉温度为T0时第i个可见光探测通道Ri或第i个近红外探测通道Ti输出的信号强度，L(λ，T0)表示波长为λ、温度为T0的辐亮度。
步骤(1.2.3)对于任意温度T而言，各探测通道输出信号强度为
Figure BDA0003362334680000052
将步骤1.2.1中的光谱传输函数和步骤1.2.2中的标定系数代入上式中求得每个通道的信号强度-温度(S-T)的关系曲线为
Figure BDA0003362334680000053
即完成测温系统的标定。
进一步，步骤(2)求解待测冲击温度具体包括：
步骤(2.1)基于最小二乘法构建残差函数χ2：
Figure BDA0003362334680000054
其中，M、N分别表示可见光和近红外的通道数，Si，PL(T)表示步骤(1)中通过标定获取的信号强度-温度的关系，Si，exp表示测量实际待测对象的冲击温度过程中不同探测通道输出的信号强度，σi表示测量实际待测对象的冲击温度过程中的标准差。
步骤(2.2)求解残差函数χ2：在冲击温度预估范围内计算不同冲击温度下的残差χ2，当残差最小时，所对应的温度即为实际待测对象的真实冲击温度。
针对本发明上述测温方法的推理过程，做如下进一步解释。
当待测对象温度为T时，不同探测通道输出的信号强度S与接收到的光强之间的关系为
Figure BDA0003362334680000061
其中下标i表示通道序号；Ci，cal表示各通道的标定系数，与探测通道的光电转换系数、光信号传输链路上的数值孔径、介质吸收等有关；λi，min、λi，max分别表示第i通道响应波段最短波长和最长波长；τi(λ)表示对应探测通道的光谱传输函数；L(λ，T)表示光谱辐亮度，基于普朗克辐射定律可表示为
Figure BDA0003362334680000062
其中ε表示实际待测对象的发射率，对于黑体而言ε＝1；C1、C2分别表示第一、第二辐射常量。
步骤(1)：标定测温系统
由步骤一可知测温系统直接输出的信号为电压信号S，为了获取实际待测对象的温度信息T，需要将电压信号S转化为温度T，即建立S与T之间的关系。采用黑体炉进行标定，以建立黑体情况下信号强度-温度(S-T)的关系曲线。依据式(1)和式(2)，若要建立黑体情况下每个探测通道的S-T函数关系，需要提前获取各通道的标定系数Ci，cal和光谱传输函数τi(λ)。因此，本发明中测温系统所采用的标定过程分为两部分：
(1)每个探测通道光谱传输函数τi(λ)的测量；
(2)与波长、温度无关的标定系数Ci，cal的测量。
在实际测量过程中，将光谱传输函数的获取分为两部分，分别为实际待测对象至探测器传输链路上的光谱传输函数和探测器本身的光谱传输函数，前者代表传输光纤、二向色镜、透镜等光路上传输元器件的传输效率，后者表示探测器的光谱响应效率。两者分别记为α(λ)和β(λ)，则有
τi(λ)＝αi(λ)β(λ) (3)
其中β(λ)在探测器出厂时由厂家进行标定提供，αi(λ)代表第i个可见光探测通道Ri或第i个近红外探测通道Ti的传输效率；α(λ)表示代表第i个可见光探测通道Ri或第i个近红外探测通道Ti的传输效率，i表示通道序号
在获取每个探测通道光谱传输函数τ(λ)的基础上，结合黑体炉等标准温度源可确定系统参数Ci，cal的取值，其具体思路为：设定黑体炉至某一温度值T0，采用该探测系统测量黑体炉的辐射光强，并由示波器读取各个探测通道的信号强度Si(T0)，则每个通道的标定系数为
Figure BDA0003362334680000071
据此，在黑体情况下，每个通道S-T的关系可表示成
Figure BDA0003362334680000072
步骤(2)：求解温度
对于待测目标而言，由公式(2)，发射率ε和温度T均未知。针对本发明中建立的七通道宽辐射谱测量系统，基于最小二乘法构建目标函数
Figure BDA0003362334680000073
其中Si，PL(T)表示步骤二中通过标定获取的黑体情况下的信号强度-温度的关系，Si，exp表示测量实际待测对象的冲击温度过程中不同探测通道输出的信号强度，σi表示测量实际待测对象的冲击温度过程中的标准差。为了求解实际待测对象的温度，令
Figure BDA0003362334680000074
化简可得
Figure BDA0003362334680000075
将式(8)代入到式(7)中有
Figure BDA0003362334680000076
式(9)中唯一需要确定的参数为温度T。通过编程遍历求解式(9)，即在预估温度范围内，计算不同温度下的残差χ2，当残差最小时，所对应的温度即为实际待测对象的真实温度。
实施例1
为了验证上述方案测量温度的可靠性，采用已知温度的标准源进行校验。设定标准源的温度为2773K，七个通道的测量强度分别为3.49mV、9.53mV、4.17mV、2.30mV、13.63mV、2.69mV、3.26mV。不同温度下的残差计算结果如图2所示。显然，在1000～10000K的温度范围内，残差存在最小值。由步骤(2)可知，残差最小时所对应的结果为最优结果，因此基于七通道高温计测量的温度为2968K，发射率为0.995K，与标准源设定的实际值偏差远小于1％。由此可见，本测温方案具有良好的可行性。
利用本发明的温度测量方法及装置，能够实现冲击温度的皮秒时间分辨测量，同时，基于本发明构建的温度测量系统中每个探测通道的辐射谱宽度可不作任何限制，整个测温系统更为紧凑。

Claims (8)

1.一种基于宽辐射谱的皮秒时间分辨冲击温度测量系统，其特征在于，所述系统包括相互垂直的可见光探测通道和近红外探测通道，所述可见光探测通道、近红外探测通道均由多个分离的探测通道组成，其中，各可见光探测通道分别由依次排布的二向色镜(1)、透镜(3)和可见光探测器(7)构成，透镜(3)和可见光探测器(7)之间设有多模光纤(4)；各近红外探测通道分别由依次排布的反射镜(2)、透镜(3)和近红外探测器(5)构成，透镜(3)和可见光探测器(7)之间设有多模光纤(4)；各可见光探测通道、各近红外探测通道的辐射谱宽度均超过百纳米，由此形成宽辐射谱测量系统结构；外部辐射信号(6)经过入口处的二向色镜后形成相互垂直的可见光支路R和近红外支路T；
对于每个探测通道，外部辐射信号经二向色镜或反射镜反射后，由透镜聚焦至多模光纤(4)各端面，再由多模光纤(4)传输至可见光探测器(7)或近红外探测器(5)。
2.根据权利要求1所述的皮秒时间分辨冲击温度测量系统，其特征在于，所述可见光支路R具有3个可见光探测通道，各可见光探测通道对应波长范围分别为400nm～650nm、650nm～800nm、800nm～900nm。
3.根据权利要求1所述的皮秒时间分辨冲击温度测量系统，其特征在于，所述近红外支路T具有4个近红外探测通道，各近红外探测通道对应波长范围分别为900nm～1150nm、1150nm～1400nm、1400nm～1530nm、1530nm～1700nm。
4.根据权利要求1所述的皮秒时间分辨冲击温度测量系统，其特征在于，所述近红外探测器(5)或可见光探测器(7)的上升时间均小于100皮秒，且最低带宽为直流。
5.一种基于权利要求1-4任意一项所述基于宽辐射谱的皮秒时间分辨冲击温度测量系统的冲击温度测量方法，其特征在于，所述测量方法包括：
步骤(1)标定皮秒时间分辨冲击温度测量系统；
步骤(2)求解实际待测对象的真实冲击温度。
6.根据权利要求5所述的冲击温度测量方法，其特征在于，步骤(1)具体包括：
步骤(1.1)获取温度测量系统测量黑体炉在温度为T0时输出的电压值S；
步骤(1.2)建立各探测通道的信号强度-温度(S-T)的关系曲线。
7.根据权利要求6所述的冲击温度测量方法，其特征在于，步骤(1.2)具体包括：
步骤(1.2.1)测量每个探测通道的光谱传输函数τi(λ)，光谱传输函数τi(λ)具体为：
τi(λ)＝αi(λ)β(λ)；
其中β(λ)表示可见光探测器或近红外探测器的光谱响应效率，αi(λ)代表第i个可见光探测通道Ri或第i个近红外探测通道Ti的传输效率，
步骤(1.2.2)测量每个探测通道的标定系数Ci，cal，标定系数Ci，cal具体为：
Figure FDA0003362334670000021
其中，Si(T0)表示黑体炉温度为T0时第i个可见光探测通道Ri或第i个近红外探测通道Ti输出的信号强度，L(λ，T0)表示波长为λ、温度为T0的辐亮度；
步骤(1.2.3)对于任意温度T而言，各探测通道输出信号强度为
Figure FDA0003362334670000022
将步骤(1.2.1)中的光谱传输函数和步骤(1.2.2)中的标定系数代入上式中求得每个通道的信号强度-温度(S-T)的关系曲线为
Figure FDA0003362334670000023
即完成测温系统的标定。
8.根据权利要求5所述的冲击温度测量方法，其特征在于，步骤(2)求解待测冲击温度具体包括：
步骤(2.1)基于最小二乘法构建残差函数χ2：
Figure FDA0003362334670000024
其中，M、N分别表示可见光和近红外的通道数，Si，PL(T)表示步骤(1)中通过标定获取的信号强度-温度的关系，Si，exp表示测量实际待测对象的冲击温度过程中不同探测通道输出的信号强度，σi表示测量实际待测对象的冲击温度过程中的标准差。
步骤(2.2)求解残差函数χ2，即在冲击温度预估范围内计算不同冲击温度下的残差χ2，当残差最小时，所对应的温度即为实际待测对象的真实冲击温度。
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